黄土丘陵区沙棘群落特性及林地水分、养分分析

为提高沙棘林生产力和合理经营沙棘林,以黄土丘陵区吴旗、安塞试验区多年的观测数据为依据,以沙棘群落特性及林地水分、养分进行了分析,结果表明,沙棘生长迅速,适应性强,4～5年可形成林茂草丰的灌木-草本群落,1～8龄生物量增长迅速。8～11龄生物量增长相对较缓,11龄后通过自然稀疏沙棘能维持较合理的群落结构和较高初级生产量,沙棘对林地土壤水分的利用可分为根系微弱利用层（0～20cm）、根系利用层（20～300cm）、土壤水分补充调节层（300～400cm）和微调节层（400～500cm）,由于沙棘的改土作用及林地估枝、落叶的蓄水作用,沙棘林地1～1.5m,土层土壤水分恢复较好,可超过或接近荒山天然草地、沙棘可通过根瘤固氮及枯枝、落叶等凋落物的分解维持林地养分平衡,6～9龄沙棘,土壤全N量可由农地,草地的0.05%～0.1%提高到0.2%。     

天山林区4种主要灌木夏季水分来源差异

天山林区群落结构相对简单、木本植物种类较少,但天山林区灌木群落中主要木本植物间的水分竞争模式尚不明确,水分利用动态缺乏定量分析。运用稳定同位素技术,对天山林区灌木群落4种主要灌木的茎杆水分及各潜在水源的氢氧稳定同位素组成进行测定,运用IsoSource模型定量分析4种灌木在夏季对各潜在水源的相对利用比例,探讨天山林区灌木群落主要灌木树种水分来源差异及动态变化。结果发现:7月,当浅层土壤含水量充足时,密刺蔷薇、黑果栒子和金丝桃叶绣线菊均大幅度吸收利用浅层土壤水,相对利用比例高于89.3%,异果小檗则相反,即吸收利用各潜在水源(浅层土壤水30.7%、中层土壤水29.4%、深层土壤水25.7%、溪水14.2%,下同);8月,当浅层土壤含水量降低时,密刺蔷薇转移至60-100 cm深层土壤水和溪水,相对利用比例分别为64.8%和27%,黑果栒子和金丝桃叶绣线菊以相似比例吸收利用各潜在水源(33.8%和36.8%、30.9%和29.7%、23.5%和22.3%、11.8%和11.2%),异果小檗则表现出可能吸收利用80-100 cm以下更稳定的深层土壤水;9月,当浅层土壤含水量升高时,4种灌木均大量吸收利用浅层土壤水,相对利用比例高于72.2%。这表明,天山林区灌木群落主要树种可通过可塑性转换水分来源来应对环境水分变异,在时间和空间上有效分割灌丛水源从而减缓对水分资源的竞争压力,从而通过在水分资源利用上的生态位分化促进物种间的共存。     

黄土丘陵区沙棘、油松和刺槐光合生理特性及其环境适应性

植物光合生理特性在一定程度上能够体现其对生境的响应情况。通过测定黄土丘陵区安塞国家生态试验站人工纯林和混交林沙棘（Hippophae rhamnoides）、油松（Pinus tabuliformis）和刺槐（Robinia pseudoacacia）在不同水分条件下的光响应曲线,采用5种光响应模型进行拟合分析,以比较3个树种在不同水分条件下适宜的光响应模型及光合生理参数差异,探讨该地区主要造林树种的光合生理生态适应性。结果表明：（1）湿润时期（9月）纯林和混交林中3个树种叶片净光合速率（P_n）均显著高于干旱时期（7月）（P < 0.05）,且7月,纯林沙棘、纯林刺槐和混交林刺槐出现光饱和、光抑制现象。（2）5种模型对各树种叶片光响应过程拟合效果的优劣顺序为：直角双曲线修正模型（MRH）、指数修正模型（MEM）、非直角双曲线模型（NRH）、指数模型（EM）、直角双曲线模型（RH）。（3）与9月相比,7月各树种叶片光合生理参数值（表观量子效率[φ]、光补偿点[LCP]、光饱和点[LSP]、暗呼吸速率[R_d]、最大净光合速率[P_nmax]）相对较低,表明在干旱时期,各树种光能利用减弱,光合能力也受到限制。（4）与纯林相比,混交林沙棘光合生理参数值整体呈上升趋势,表明混交造林有助于提高其光合潜力、对弱光的利用能力及光照生态幅宽度;油松整体呈下降趋势,表明混交种植可能会降低其光合作用能力;刺槐变化无明显规律,其叶片φ和P_nmax值下降,R_d增加,光照生态幅最宽,表明混交种植可能会增强其对强光的适应性,但会降低其对弱光的利用能力及光合潜力。     

鄂尔多斯高原3个水土保持树种的水分利用策略

为了解植物对环境的适应对策,通过测定鄂尔多斯高原东部丘陵区3个水土保持树种沙棘、油松和山杏的枝条木质部水和各潜在水源的δ¹⁸O值及叶片的δ¹³C值,应用多元线性混合模型分析各潜在水源的贡献比例,分析3个树种水分来源和水分利用效率的季节动态和种间差异。结果表明: 沙棘、油松和山杏在5月主要利用10 cm深度土壤水,分别占其总水源比例的88.5%、94.0%和91.6%。7月,沙棘主要利用10～25 cm土层土壤水和雨水,比例为44.6%和35.4%;油松主要利用雨水,比例为93.7%;山杏主要利用25～100 cm土层土壤水和雨水,比例分别为55.9%和36.8%。9月,沙棘主要利用25 cm深度和75～100 cm土层土壤水,比例为88.9%;油松主要利用10 cm和50～75 cm土层土壤水,比例为84.5%;山杏利用10～100 cm土层土壤水。5月沙棘的水分利用效率显著高于7月和9月。7月油松的水分利用效率显著高于9月。5月和7月沙棘的水分利用效率显著高于油松和山杏。3个树种在不同季节根据不同水源的可利用性,选择利用不同深度的土壤水或雨水。沙棘和油松干旱时能够提高水分利用效率适应环境变化,可能比山杏更适应当地的半干旱环境。     

黄土丘陵区两种主要退耕还林树种生态系统碳储量和固碳潜力

黄土丘陵区是中华文明的起源地,而原有植被却遭受严重破坏。因此,自20世纪70年代末开始的三北防护林工程、退耕还林工程和天然林保护工程等大型生态恢复工程,在本区均有大面积分布。这些工程已经对生态恢复起到重要作用,并将对全球碳素循环起到积极作用。以黄土丘陵区的主要造林树种--油松(Pinus tabulaeformis Carr.)和刺槐(Robinia pseudoacacia L.)为研究对象,共设置样方28个,测定森林乔木、灌木、草本生物量及凋落物碳储量;钻取并分析土样516份,获得土壤有机碳储量。结合文献数据和农田碳储量数据,建立0-86年生油松林和0-56年生刺槐纯林生态系统碳储量-林龄序列;在此基础上分析造林对生态系统碳储量和固碳潜力的影响。结果表明,造林后的油松林和刺槐林生态系统的植被、凋落物及土壤碳储量逐渐增加;在没有人为干扰的情况下,19、27、36、86年生油松林生态系统碳储量分别为70.76、143.43、167.30、271.23-332.26 Mg/hm²;8、17、39年生刺槐林生态系统碳储量分别为80.37、94.08、140.77 Mg/hm²。受间伐干扰、45\,52年生油松林生态系统碳储量分别为136.42\,168.56 Mg/hm²,相对于没有人为干扰的油松林,其植被碳储量明显下降,而土壤碳储量保持稳定甚至升高。受乱砍滥伐干扰的71年生油松林和56年生刺槐林的生态系统碳储量分别为118.87\,76.99 Mg/hm²,相对于没有人为干扰的森林,其植被碳储量和土壤碳储量均呈明显下降趋势。种植油松林之后的86a时间内,其生态系统固碳潜力为211.61-272.64 Mg/hm²;而种植刺槐林、在39a时间内的生态系统固碳潜力为81.15 Mg/hm²。     

不同疏伐强度下黄土丘陵区刺槐林的水分利用特征

造林是生态恢复的重要措施,但由于种植密度过高,导致土壤干燥化,林木生长衰退,严重制约其生态功能的提升。疏伐是人工林改造的重要手段,水分利用特征是确定适宜疏伐密度的关键因素,但目前缺少疏伐对人工林水分利用特征影响的系统研究。基于此,以黄土丘陵区刺槐林为研究对象,设置疏伐55%(P1)、28%(P2)、16%(P3)和对照(P4)四个处理,通过0—500 cm深度的土壤水与茎秆水δ²H和δ¹⁸O、叶片δ¹³C的采样分析并利用MixSIAR模型,比较了不同疏伐强度下刺槐林水分来源和水分利用效率的差异,建立了水分来源比例与叶片δ¹³C的定量关系。结果表明：(1)疏伐样地在不同深度的土壤含水量均高于对照样地,表明疏伐对缓解土壤水分胁迫具有重要作用。(2)随着疏伐强度的增大,浅、中层(0—100 cm、100—300 cm)土壤水对刺槐的贡献比例呈增加趋势(P1:80.4%;P2:78.1%;P3:76.3%;P4:67.8%),而深层土壤水分(300—500 cm)的贡献比例相对降低,表明疏伐促进了刺槐对浅层...     

黄土丘陵区旱地作物水分生态适应性系统评价

根据调查资料和田间试验结果,系统地分析了旱地不同作物生长发育与降水分布的时序关系、旱地作物水分潜在利用率和旱地主要作物水分供需平衡与错位特征,并利用水分生态适应性数学模型,对宁南黄土丘陵区主要作物的水分生态适应性进行了定量评价.结果表明,秋熟作物生长发育与降水分布耦合性较好,夏熟作物生长发育与降水分布耦合性较差.不同作物的降水潜在利用率存在差异,其基本规律是:多年生牧草>薯类作物>谷类作物;秋熟作物>夏熟作物.作物的水分满足率和生态适应性,秋熟作物优于夏熟作物,丰水年份优于干旱年份.旱地6种主要作物的水分生态适应性指数排序依次为:谷子>马铃薯>糜子>胡麻>豌豆>春小麦.     

黄土丘陵区植被恢复对深层土壤有机碳的影响

以恢复9、15、24a和34a的刺槐林为研究对象,探究黄土丘陵区深层土壤有机碳(SOC)积累以及对植被恢复的响应。区域深层土壤(50-200cm)SOC含量高达1.35-2.39g·kg-1,约为浅层土壤(0-50cm)SOC含量的25%;深层土壤SOC储量高达26.28-46.50t.hm-2,占2m土层SOC储量的50%以上,显著高于浅层SOC储量;植被恢复20多年后与恢复9a相比,深层SOC含量和储量都有极显著提高。2m土层SOC含量随植被恢复20多年后较9a提高1倍左右;2m土层SOC储量增幅为43.02.thm-2(9-34a),明显高于1m土层SOC储量增幅34.65t.hm-2(9-34a)。浅层土壤中的0-30cm相邻土层间SOC含量差异显著,而深层SOC含量较稳定。深层SOC含量与刺槐盖度、基径、高度呈极显著正相关。在评价黄土丘陵区植被恢复的土壤固碳效应时应充分考虑深层土壤有机碳储量和变化。     

刺槐生长和内在水分利用效率对气候因子的响应

本研究调查了陕西安塞和山西吉县刺槐人工林生长状况,比较了刺槐年轮宽度、胸高断面积增量(BAI)、δ¹³C、内在水分利用效率(iWUE)和气孔调节方面的差异,量化了刺槐生长和内在水分利用效率对气候因子的响应。结果表明：随林龄增加,安塞和吉县刺槐年际轮宽均呈下降趋势,安塞刺槐BAI呈增加趋势,但吉县刺槐BAI达到峰值后下降。吉县刺槐δ¹³C和iWUE均高于安塞刺槐,安塞和吉县刺槐的iWUE实测值更偏向于恒定胞间CO₂浓度/大气CO₂浓度(C_i/C_a)情景,表明刺槐C_i随C_a增加而增加,气孔保持开放。Pearson相关性分析显示,安塞刺槐BAI与5月最高气温、6月相对湿度、8月降水、9月相对湿度和9、10月干旱指数(SPEI)呈显著正相关,与6月气温呈负相关;而吉县刺槐BAI与6、7月SPEI和10月最低气温呈显著正相关。安塞刺槐iWUE与6月相对湿度和降水呈显著正相关,与5月最低气温、6月相对湿度、7月气温、最高气温...     

外来物种刺槐对黄土丘陵区植物群落功能结构的影响

在黄土丘陵区草原带、森林草原带和森林带3个植被带选取成对的刺槐群落和乡土植物群落功能性状值,研究不同植被带刺槐群落、乡土植物群落功能结构的变化,以及同一植被带下刺槐的引入对群落功能结构的影响.结果表明: 刺槐群落和乡土植物群落的叶碳、叶氮、叶磷、比叶面积、叶组织密度等功能性状随植被带的变化规律一致.刺槐群落叶碳、叶氮、比叶面积显著高于乡土植物群落,且2种群落功能多样性指数(FR_ic、FE_ve、FD_iv、FD_is、Rao)随植被带的变化趋势并不完全一致,在森林带刺槐的引入提高了植物群落功能多样性,在草原带降低了植物群落功能多样性.     

疏伐对黄土丘陵区刺槐林蒸腾的影响

黄土高原地区植被建设已达到土壤水分承载力的阈值,需要对现有林分进行结构优化并提升其生态功能。不合理的林分密度是导致黄土丘陵区刺槐林土壤干化、生长衰退的主要原因之一。疏伐可以优化林分结构,并能够通过控制蒸腾耗水来调控土壤水分,是促进刺槐林可持续生长的有效手段。疏伐对黄土丘陵区刺槐林蒸腾有何影响,目前并不清楚。研究基于树干液流法估算了4个不同疏伐强度（样地1：52%、样地2：48%、样地3：35%、样地4：未疏伐）下刺槐单株尺度的液流速率与林分尺度的日平均蒸腾量,并分析了不同时间尺度下液流速率与环境因子的关系,以阐明疏伐对黄土丘陵区刺槐林蒸腾的影响。结果表明：（1） 单株尺度刺槐蒸腾速率（即液流速率）随疏伐强度减小（林分密度增大）呈现下降趋势（样地1：0.53 kg cm^-2 d^-1、样地2：0.41 kg cm^-2 d^-1、样地3：0.31 kg cm^-2 d^-1、样地4：0.33 kg cm^-2 d^-1）;（2） 观测期林分尺度日平均蒸腾量随疏伐强度减小呈现上升趋势（样地1：0.90 mm/d、样地2：1.18 mm/d、样地3：1.04 mm/d、样地4：1.44 mm/d）;（3） 在半小时尺度与日尺度上,各样地液流速率与环境因子的关系没有显著差异,半小时尺度单株液流速率均与太阳辐射相关性最高（相关系数0.883-0.908）,液流速率日变化过程与环境因子日变化过程存在时滞现象;日尺度单株液流速率与饱和水汽压亏缺相关性最高（相关系数0.843-0.913）,样地间日尺度单株液流速率的差异性随着饱和水汽压亏缺增大而增大。研究结果初步反映了疏伐导致的林分密度变化对刺槐蒸腾的影响,将为黄土丘陵区刺槐林的结构改造、功能提升和土壤水分调控提供理论支持。     

黄土丘陵区刺槐与油松人工林生态系统生态化学计量特征

为阐明不同人工林生态系统间生态化学计量特征的差异,采用野外采样与室内分析相结合的方式分析了陕北黄土丘陵区落叶阔叶树种刺槐和常绿针叶树种油松人工林乔木、灌草、枯落物和土壤(土层深度0—100cm)C、N、P化学计量特征。结果表明:1)刺槐乔木各器官(叶、枝、干、皮、根)C含量显著低于油松,但N和P含量显著高于油松。因此,油松的C∶N和C∶P显著大于刺槐,而N∶P小于刺槐。2)刺槐林下枯落物N和P含量显著高于油松,但C含量显著小于油松。此外,油松林下枯落物C∶N(70.21)大于刺槐林下枯落物C∶N(19.71),说明油松林下枯落物分解较慢,有利于养分的存储。3)刺槐和油松人工林土壤C、N含量均随土壤深度增加而减少,P含量则基本保持不变。刺槐人工林土壤中C含量低于油松,N、P含量在两者之间无显著差异。4)刺槐人工林内乔灌草叶、枯落物与土壤C、N、P及其计量比的相关性多集中在10—20、20—30cm土层,而油松林中各组分与土壤营养元素的相关性相对较小,其中20—30cm土层中无显著相关性,说明相比刺槐人工林而言,油松人工林内土壤层N、P供应量对植物叶片N、P含量影响不显著。本研究为深入了解黄土丘陵区生态系统养分耦合循环机制奠定了基础,同时也为黄土丘陵区的植被恢复工作提供了一定的指导意义。     

季节性干旱地区典型树种长期水分利用特征与模式

在季节性干旱地区,水分是影响植物生长发育的关键核心因子.基于长期连续观测数据探究植物水分利用模式,对于季节性干旱地区植被建设具有重要意义.本研究以北京山区侧柏人工林为对象,利用稳定氢氧同位素技术测定了2012-2017年间土壤、植物枝条和降水同位素组成,通过MixSIAR模型定量分析侧柏对不同土层土壤水分的贡献率.结果...     

Soil water use strategy of dominant species in typical natural and planted shrubs in loess hilly region

Aims Artemisia gmelinii is a dominant specie naturally established after abandonment of cultivated lands in the Loess Plateau, and Caragana korshinskii is one of the main planted shrub species to control soil erosion. Improved understanding of water use strategies of these two species is of great significance to evaluate the sustainable development of the Loess Plateau under the trend of climate warming and increasing drought events.
Methods Stable oxygen-18 isotope was used to determine seasonal variations in the water sources of native A. gmelinii communities established after abandonment of cultivated lands for 7 and 30 years and planted C. korshinskii after 30 years. The contributions of soil water from different depths to water uptake were estimated by the MixSIR Bayesian mixing model. The geometric mean regression method was used to fit the line of precipitation to get the local meteoric water line (LWML).
Important findings The stable hydrogen isotope rate (δD) and stable oxygen isotope rate (δ¹⁸O) of soil water and xylem water plotted to the right side of the LWML, indicating that the isotopic compositions of soil water were enriched due to evaporation. The native A. gmelinii communities established after abandonment of cultivated lands for 7 years and planted C. korshinskii after 30 years showed plasticity in switching water sources from different soil layers, extracting water from shallow soil (0-40 cm) when soil water was available, but deeper soil (40-80 cm) when shallow soil water was dry. In contrast, A. gmelinii growing in site after cultivation abandonment for 30 years mainly relied on water from the surface soil (0-10 cm) throughout the growing season. Our results suggest that the ability of A. gmelinii to compete for soil water reduces with aging of the community while the planted C. korshinskii will have competitive advantage under the condition of increasing frequency of drought events in the future.     

陕北黄土区大气降水同位素特征及其水汽来源

为探究陕北黄土区大气降水氢氧稳定同位素特征及其水汽来源,以陕西省定边县为研究区,于2018—2020年共收集107次降水事件样品,分析了该区降水中δ¹⁸O和δ²H组成特征,并探讨了不同季节的水汽来源。结果表明: 定边氢氧稳定同位素存在明显的季节变化,湿季(6—9月)偏贫化,干季(4—5月、10—11月)偏富集;氘盈余呈现干季高湿季低的特点。当地大气降水线方程为δ²H=7.35δ¹⁸O+4.19 (R²=0.96, P<0.01),斜率和截距均小于全球大气降水线,表明该区域降水受到一定程度的蒸发分馏影响。全年降水同位素组成表现出温度效应,而湿季和干季差异较大,仅干季存在温度效应,湿季降水同位素组成可能受温度和降水量的共同影响。HYSPLIT气团轨迹模型表明,干季水汽主要来自大西洋和极地北冰洋地区,而湿季降水主要来自印度洋和太平洋,同时受到西风带的影响。     

黄土丘陵区辽东栎群落优势种和主要伴生种树干液流动态特征

运用Granier热扩散探针法(TDP),于2011年5月对黄土丘陵区延安市南郊公路山辽东栎群落优势种(辽东栎)和3个伴生种(山杏、细裂槭、桃叶卫矛)树干液流进行连续测定,并同步监测气象环境因子(太阳辐射、空气温度和相对湿度)和土壤水分动态,比较分析辽东栎、山杏、细裂槭、桃叶卫矛的树干液流通量密度日变化动态及其对环境因子的响应特征。结果表明,辽东栎、山杏、细裂槭和桃叶卫矛液流通量密度日变化动态特征总体上反映了气象环境因子变化的昼夜规律性,呈单峰或双峰型曲线,但辽东栎与山杏、细裂槭、桃叶卫矛液流通量密度日变化规律存在一定的差异。辽东栎液流启动时间较早,通常在5:00左右,而山杏、细裂槭和桃叶卫矛液流启动时间均晚于辽东栎一个小时以上。辽东栎液流达到峰值的时间也较其它树种早,通常出现在9:00前后;细裂槭、桃叶卫矛和山杏液流通量密度达到峰值的时间分别在10:00、11:00和13:00前后。细裂槭和桃叶卫矛液流通量密度日变化曲线峰值较窄。除此之外,土壤水分状况对伴生种的影响程度要比优势种的大。相关分析表明,树干液流通量密度与太阳辐射和空气水汽压亏缺均呈极显著正相关。优势种与伴生种的液流动态差异可能与树木本身特性以及群落对光能的限制性再分配有关。     

昌岭山两个优势树种径向生长对气候变化的响应

在气候变暖背景下,树木径向生长对气候变化的响应存在不稳定性。利用采自祁连山东部余脉昌岭山两个优势树种油松和青海云杉的树轮样芯,建立树轮宽度标准年表,通过分析树轮宽度年表与气候要素的相关关系,探讨两个树种径向生长对气候变化的响应。结果表明：（1）油松年表比青海云杉年表包含更多的气候信息,其平均敏感度、标准差、信噪比和样本对总体的代表性等统计量均高于青海云杉标准年表。（2）气候要素对不同树种径向生长限制程度不同,油松径向生长主要与降水（前一年9月和当年3-8月）和气温（前一年9月）有关,但对降水的响应更为敏感,而青海云杉径向生长则受到气温（当年9月）和降水（前一年9月、当年3月和7月）的共同作用。（3）气温突变后,油松和青海云杉年表与各气温要素的相关性显著增强,而青海云杉年表与气温要素的相关性变化更明显,指示了青海云杉径向生长对气温的响应更不稳定。（4）生长季平均最低气温的升高诱导的干旱胁迫是油松和青海云杉树木径向生长-气温响应变化的主要原因。     

黄土丘陵区土壤水分对黄刺玫叶片光响应特征参数的影响

在半干旱黄土丘陵区,以3年生黄刺玫(Rosa xanthina L.)植株为材料采用盆栽控水试验,利用CIRAS-2型便携式光合作用测定系统在8个土壤水分含量下测定了黄刺玫叶片的光响应过程。探讨了黄刺玫光合生理参数与土壤水分的定量关系及土壤水分效应等级划分问题。结果表明:黄刺玫的净光合速率(P_n)、光合量子效率(Φ)、水分利用效率(WUE)、胞间CO_2浓度(C_i)和蒸腾速率(T_r)对土壤水分都具有明显阈值响应特征。土壤相对含水量(RWC)在36.2%—81.2%范围内,黄刺玫在强光下的P_n和WUE水平较高,光合作用不会发生明显的光抑制。RWC为66.5%左右时,Φ与P_n达到最高水平,表现出较强的光能利用潜力;RWC为81.2%为时,T_r达最大值,RWC为44.5%时,WUE为最大值。依据黄刺玫叶片P_n、C_i、T_r和WUE与土壤水分的定量关系确定RWC在低于36.2%时为"低产低效"等级,在36.2%—44.5%之间为"低产高效"等级,44.5%—66.5%为"高产高效"等级,66.5%—81.2%为"高产中效"等级,在高于81.2%时为"低产低效"等级。